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本研究では、2次元トポロジカル絶縁体転移が理論予測されている黒リン(BP-like)構造のBi(110)超薄膜を半導体基板上に均一に成長させる条件を見出し、その成長過程・原子構造・電子構造を、走査トンネル顕微鏡(STM)と角度分解光電子分光(ARPES)等の実験手法を用いて詳細に明らかにするため、以下の課題に取り組む。(a) Si(111)傾斜基板を用いたり、成長温度や成長速度を制御したりすることで、回転ドメイン数が少なく膜厚の揃った試料を作製し、電子状態の詳細な測定を行う。(b) Bi(110)超薄膜と基板との界面のwetting layerの原子構造ならびに超薄膜最表面の原子構造を明らかにする。(c) 界面における基板との電荷移動の 詳細を明らかにし、Bi(110)超薄膜への電荷ドーピング制御の可能性を検討する。
令和4年度は次の成果を得た。(c) 半導体的な状態をもつ√3-B基板に替えて金属的な表面状態をもつSi(111)√3-Ag表面を基板に用いてBi(110)超薄膜を作製し、その電子状態をARPESを用いて明らかにした。√3-B基板上の場合と同様、wetting layerの上にBi(110)薄膜が成長するが、そのためには100 K程度の低温でBiを蒸着したのち室温までゆっくりと昇温する2段階成長プロセスが必要であること、√3-B基板上でのBi(110)の電子状態に比べてややn-dopeとなっており、電子状態に基板依存性があること等を明らかにした。
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